风扇异步电机熔断体熔断保护现象研究分析

焦 鹏 贺 雷 李明亮 施清清

（珠海格力电器股份有限公司 珠海 519000）

引言

熔断体也叫温度保险丝，常作为电源通路使用，具有结构简单、体积小、能耗低、性能稳、价格低等特点；因此电机大多都采用熔断体作为保护器；此次研究的某款风扇电机使用某品牌K6不可复位的低熔点合金型熔断体，其由合金丝、引线、助熔剂、环氧封胶、陶瓷外壳组成，见图1；当环境温度+自身温度超过其设计温度且达到一定时间时，合金丝便会熔断切断电路，实现对系统电路的保护[1]。本文结合熔断体熔断模式对售后故障电机熔断状态进行分析，研究熔断保护的失效原因，并针对失效点制定优化措施。

图1 熔断体的组成结构图

1 熔断体熔断保护现象研究分析

1.1 正常熔断体参数及状态

K6熔断体额定动作温度145 ℃、实测动作温度140±2 ℃、保持温度121 ℃、额定电流/电压AC 2 A/250 V，图2左图为正常熔断体的解剖图。

图2 熔断体正常状态及熔断状态解剖图

1.2 熔断保护分析

观察售后故障电机熔断体，其外观本体完整、封口状态良好，透过外壳发现内部温度保险丝已熔断；解剖并去除助熔剂后，观察熔断体熔断状态为两种状态，一种为蘑菇头状（见图2中），合金单侧缩成纺锤状依附在引脚上，断面圆润，符合过热熔断的特征；一种为纺锤体状（见图2右），合金收缩成纺锤依附在两侧引脚上，合金球完全浸润包裹引脚形成纺锤状。

为确认合金丝材料差异可能导致的异常熔断，对故障品的合金丝进行DSC熔点测试，图3熔点曲线表明样品合金熔点为140.3 ℃，符合K6熔断体的动作温度范围：140±2 ℃。排除材料差异导致异常保护的可能。

图3 故障电机熔断体样品测试的DSC熔点曲线

进一步分析熔断形貌，蘑菇头状熔断合金丝为单边熔断状态，表明熔断体两侧引脚受热不均匀，单边引脚传热先达到合金熔点后迅速断开，另一侧温度未达到熔点合金无收缩迹象。左侧引脚上易熔合金已经收缩成球状，右侧引脚根部合金无熔化痕迹而断开截面有合金熔化收缩痕迹呈蘑菇状，外形圆润，表面有粗糙颗粒质感，是合金熔化收缩后再冷却的特征，表明断开时右侧引脚的温度低于合金熔点。从合金的熔断状态可以推断合金丝开路时环境温度还未达到其合金熔点，此时引脚根部的合金无熔化痕迹，且未形成浸润引脚的纺锤状合金球，但是出现短时大电流过载，合金丝自身发热增大，过载时合金丝局部发热+外部环境温升超过合金熔点，导致合金丝出现熔断[2]，熔断后合金收缩向两侧引脚并迅速降温，由于环境温度未超过合金熔点，因此收缩的合金并未与引脚焊接点根部的合金完全熔合，形成这种蘑菇状。

纺锤体状熔断合金丝双侧完全熔断、合金球完全浸润包裹引脚，表明熔断体两侧引脚受热均匀，已超过合金熔点；两侧引脚根部合金完全熔化，外形圆润光滑，是合金丝均匀受热收缩冷却的特征。因此从合金的熔断状态可以推测出合金丝开路时合金丝环境温度已达到合金熔点，合金丝自身发热+环境温度导致合金熔断；由于环境温度已达到合金熔点，合金完全熔化收缩至引脚根部焊接点，随着环境温度降低合金逐渐冷却，形成这种纺锤状。

不同的熔断因素导致合金丝熔断形成两种典型形貌特征。

1.3 熔断体实验验证

1.3.1 温升测试验证

根据GB 9816.1-2013《热熔断体要求和应用导则》[3]中熔断体额定动作温度的测试条件，及图4所示的熔断体额定动作温度测试原理[4]进行温升测试验证，电压调节电路用来调节电热器加热上升速度，熔断报警显示电路用来记录被测样品熔断时的测试温度数据，A为被测样品，B为热电偶，油池试验媒介采用甘油。

图4 额定动作温度测试原理

实验1：熔断体接入熔断电路，并浸没油池中使熔断体均匀受热；设置测试温度为145 ℃，待熔断体熔断后切断电源，待甘油逐渐冷却后，取出熔断体进行解剖观察；熔断体熔断状态与图2右图一致，合金完全浸润报过引脚收缩成纺锤依，附在两侧引脚上。

实验2：熔断体接入熔断电路，一侧引脚浸没油池中受热，另一侧未浸没油池中；设置测试温度为145 ℃，待熔断体熔断后切断电源，待甘油逐渐冷却后，取出熔断体进行解剖观察；熔断体熔断状态如图5所示，合金左侧受热熔断，合金收缩成纺锤状依附在引脚上，另一侧因温度未达到熔点，未能收缩依附在引脚上。

图5 熔断体引脚单侧受热熔断状态

1.3.2 过载测试验证

常温条件下，将K6温度保险丝接入熔断与压降测试仪，分别调整输入电流10 A、15 A、20 A、25 A、30 A、35 A、40 A测试过载条件下熔断的时间，测试电压6 V，每组3个样品。

图6为熔断体过载熔断电流-时间测试结果，熔断体在过载情况下，电流越大其熔断时间越短，熔断点之间有电弧烧焦助熔断剂发黑痕迹，合金熔断状态呈现蘑菇状，与图2中图一致。

图6 K6熔断体过载熔断电流-时间图

2 电机故障模式分析

2.1 纺锤体状-电机故障分析

检测熔断体熔断状态为纺锤体状故障电机，其电机转轴顺畅、匝间耐压测试合格、绕组无短路、短路情况，电机无其他故障点；进一步核实售后信息发现故障风扇在发生故障时整机出现倾倒风叶与网罩干涉卡死，电机处于堵转状态；图7为整机堵转验证情况，整机堵转第15 min熔断体熔断，温升达到151 K，电流变化不大；堵转熔断状态为纺锤体状。

图7 整机堵转电流、温升变化情况

3.2 蘑菇头状-电机故障分析

检测熔断体熔断状态为蘑菇头状故障电机，发现此类电机存在匝间耐压不合格和绕组表面漆包线烧黑短路现象。分析为电机生产过程对漆包线和定子防护不当使刮伤碰伤漆包线，漆包线长期运行后受热加速损伤出现短路现象，此时产生短时过载大电流，导致熔断体合金迅速熔断冷却，合金呈现蘑菇状。图8左图为漆包线受损运行发生短路的电机绕组，标记位置有明显短路打火痕迹，图8右图为采用脉冲波形原理[5]测试电机匝间耐压的波形，实测红色波形与白色波形未重合且偏差较大，耐压不合格；以上两种情况熔断体熔断状态为蘑菇头状。

图8 漆包线受损发生短路的电机绕组及匝间耐压的测试波形

3 结论

通过对售后风扇电机熔断体熔断的故障现象及失效机理分析，确认合金丝蘑菇头状熔断主要原因为电路电流过载，合金丝纺锤体状熔断主要为电机负载过载。针对电流过载，电机生产过程应当保证电机生产过程装配、摆放、运输中漆包线防护有效，防止漆包线损伤；针对电机负载过载，产品设计应保证电机负载合理，同时考虑选用可复位限温器，并在结构设计上避免产品出现堵转等电机负载过载情况；通过以上两方面整改优化可有效降低电机熔断体熔断保护故障率，提高产品整体质量及可靠性，降低售后维修和服务费用。